[Python 學習筆記] 函式、類別與模組 : 類別 (抽象類別)

來源自 這裡 
Preface : 
定義類別，本身就是在進行抽象化，如果一個類別定義時不完整，有些狀態或行為必須留待子類別來具體實現，則它是個抽象類別（Abstract Class）。例如，在定義銀行帳戶時，你也許想將 一些帳戶的共同狀態與行為定義在父類別中 : 
- 類別 Account : 

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1. class Account:  
2.     def withdraw(self, amount):  
3.         if amount <= self.balance:  
4.             self.balance -= amount  
5.         else:  
6.             raise ValueError('Not enough balance')  
7.   
8.     def __str__(self):  
9.         return ('Id:\t\t' + self.id +  
10.                 '\nName:\t\t' + self.name +  
11.                 '\nBalance:\t' + str(self.balance))  

顯然地，這個類別的定義不完整，self.id、self.name、self.balance沒有定義，嘗試使用這個類別進行操作時，就會發生直譯錯誤 : 

acct = Account()
print(acct)

Abstract Class : 
你可以繼承這個類別來實作未完整的定義 : 
- 類別 CheckingAccount : 

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1. class CheckingAccount(Account):  
2.     def __init__(self, id, name):  
3.         self.id = id  
4.         self.name = name  
5.         self.balance = 0  
6.         self.overdraftlimit = 30000  
7.   
8.     def withdraw(self, amount):  
9.         if amount <= self.balance + self.overdraftlimit:  
10.             self.balance -= amount  
11.         else:  
12.             raise ValueError('Not enough credit')  
13.   
14.     def __str__(self):  
15.         return (super(CheckingAccount, self).__str__()+  
16.                 '\nOverdraft limit\t' + str(self.overdraftlimit))  
17.   
18. acct = CheckingAccount('E1223','Peter')  
19. print(acct)  

現在的問題是，實際上開發人員還是可以用 Account() 實例化，也許您可以修改一下類別 Account 的定義 : 

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1. class Account:  
2.     def __init__():  
3.         raise NotImplementedError("Account is abstract")  
4.           
5.     ...略  

如此，嘗試使用 Account() 實例化後，在初始化方法中就會引發錯誤（不過，實際上 Account 實例確實有產生了，但就這邊的需求來說，目的算已達到）. 

像 Python 這類的動態語言，沒有 Java 的 abstract 或 interface 這種機制來規範一個類別所需實作的介面，遵循物件之間的協定基本上是開發 人員的自我約束（當然，還得有適當的說明文件）. 如果你非得有個方式，強制實現某個公開協定，那該怎麼作？像上面一樣，藉由直譯錯誤是一種方式，實際上視你的需求而定（是否可實例化、子類別是否定義初始化方法等），還有許多模擬的方式，不過在 Python 中，可以使用 Meta class 與 @abstractmethod 來達到規範的需求. 

舉個例子來說，您想要設計一個猜數字遊戲，猜數字遊戲的流程大致就是 : 

顯示訊息（歡迎）
隨 機產生數字
遊戲迴圈
----顯示訊息（提示使用者輸入）
----取得使用者輸入
----比較是否猜中
----顯示訊息（輸入正確與否）

在描述流程輸廓時，並沒有提及如何顯示訊息、沒有提及如何取得使用者輸 入等具體的作法，只是歸納出一些共同的流程步驟 : 
- 類別 GuessGame : 

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1. import random  
2. from abc import ABCMeta, abstractmethod  
3.   
4. class GuessGame(metaclass=ABCMeta):  
5.     @abstractmethod  
6.     def message(self, msg):  
7.         pass  
8.   
9.     @abstractmethod  
10.     def guess(self):  
11.         pass       
12.   
13.     def go(self):  
14.         self.message(self.welcome)  
15.         number = int(random.random() * 10)  
16.         while True:  
17.             guess = self.guess();  
18.             if guess > number:  
19.                 self.message(self.bigger)  
20.             elif guess < number:  
21.                 self.message(self.smaller)  
22.             else:  
23.                 break  
24.         self.message(self.correct)  

現在GuessGame是個抽象類別，如果你嘗試實例化GuessGame : 
 

如果是個文字模式下的猜數字遊戲，可以將顯示訊息、取得使用者輸入等以文字模式下的具體作法實現出來. 例如 : 
- 類別 ConsoleGame : 

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1. class ConsoleGame(GuessGame):  
2.     def __init__(self):  
3.         self.welcome = "歡迎"  
4.         self.prompt = "輸入數字："  
5.         self.correct = "猜中了"  
6.         self.bigger = "你猜的比較大"  
7.         self.smaller = "你猜的比較小"  
8.       
9.     def message(self, msg):  
10.         print(msg)  
11.       
12.     def guess(self):  
13.         return int(input(self.prompt))  

執行結果 : (假設 ConsoleGame, GuessGame 都已經定義在 GuessGame.py) 
 

如果子類別忘了實作某個方法，則該子類別仍被視為一個抽象類別，如果嘗試實例化抽象類別就會引發錯誤。例如若忘了實作 message()，就會發生以下錯誤 : 

TypeError: Can't instantiate abstract class ConsoleGame with abstract methods message

所以，如果你真的想要模擬Java中interface的作用，則可以定義一個抽象類別，完全沒有實作的方法即可. 例如 : 

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1. import random  
2. from abc import ABCMeta, abstractmethod  
3.   
4. class Flyer(metaclass=ABCMeta): # 就像是Java中的interface  
5.     @abstractmethod  
6.     def fly(self):  
7.         pass  
8.   
9. class Bird:  
10.     pass  
11.       
12. class Sparrow(Bird, Flyer):  # 就像Java中繼承Bird類別並實作Flyer介面  
13.     def fly(self):  
14.         print('麻雀飛')  
15.   
16. s = Sparrow()  
17. s.fly()  

Supplement 
* Python Standard Library: abc — Abstract Base Classes